Звезды всегда манили людей – недаром фантастические книги о межпланетных путешествиях во все времена находили своих поклонников. И размышления о космосе не такие уж праздные: человечество постоянно изыскивает средства и способы достичь иных миров – хотя бы ближайших соседей Земли. Однако самая вожделенная мечта – межзвездные полеты и колонизация планет в иных звездных системах – пока остается недостижимой. Впрочем, вполне вероятно, что так будет не всегда.
Понятие «варп-двигатель» – то есть двигатель, позволяющий разогнать космический корабль быстрее скорости света – придумали, как водится, фантасты. Одним из первых, кто озвучил эту идею, стал Джин Роденберри, автор знаменитого сериала «Звездный путь», пилотная серия которого появилась на американском канале NBC еще в 1964 году. А через два года, когда сериал вышел в эфир целиком, это слово впервые зазвучало с экрана и сразу же запомнилось миллионам телезрителей – поклонникам фантастики. Неудивительно, что оно все чаще стало появляться в новых произведениях этого жанра – и в фильмах, и в книгах. Со временем их авторы уточнили понятие: варп-двигатель (от английского warp – деформация, сгибание) позволяет космическому кораблю преодолевать значительные расстояния за короткий срок с помощью искривления пространства.
Правда, тогда все понимали – это просто фантастика, не имеющая ничего общего с реальностью. Любой человек, знакомый с начатками физики, знал: скорость света превысить невозможно, а пространство – величина постоянная, чтобы его искривить, человеческих сил и знаний не хватит. Так что долгое время варп-двигатель оставался несбыточной мечтой. И аргументы поклонников книг и фильмов о космических приключениях – мол, наука не стоит на месте и мы не все знаем об окружающем мире – разбивались о суровые и непререкаемые законы Ньютоновской физики.
Однако время показало, что теорию относительности, «запрещающую» развивать скорость выше световой, вполне можно обойти. Сегодня, спустя более полувека с момента, когда варп-двигатель завладел умами фантастов, им, наконец, занялись серьезные ученые. В сентябре позапрошлого года NASA официально заявило о том, что оно заинтересовалось этой темой. Сделано это было на конференции 100 Year Starship, проведенной DARPA (агентством по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США). В рамках мероприятия сотни ученых и инженеров обсуждали один вопрос: как «воплотить в реальность полет человека за пределы нашей Солнечной системы к другой звезде в ближайшие 100 лет».
Пожалуй, одним из самых долгожданных докладов на мероприятии стала презентация «Механика варп-поля 102», организованная авиационно-космическим инженером Гарольдом Уайтом, возглавляющим одну из исследовательских групп NASA – лабораторию исследования продвинутых форм движения. Доктор Уайт говорил о многом – и о перспективах космических исследований на ближайшее время, и о возможности повышения эффективности химических ракет, и о двигателях, работающих на антиматерии. Но основной – и самой ожидаемой – частью доклада оказалась та, что была посвящена варп-двигателям. Теоретической разработкой этой технологии его лаборатория занимается уже некоторое время, с тех пор, как в 2011 году Гарольд Уайт опубликовал первую работу по теме – «Механика варп-поля 101».
Иногда говорят, что талантливый человек талантлив во всем. И Гарольд Уайт полностью соответствует этому утверждению. Его карьера начиналась отнюдь не с разработки экспериментальных двигателей для космических кораблей. Он получил диплом инженера-машиностроителя, а в 1999 году – диплом бакалавра. Работая в этой области, он стал одним из подрядчиков NASA – вернее, лаборатории робототехники. В результате ему было доверено управление одним из манипуляторов на МКС.
Примерно в это же время молодой ученый начал писать кандидатскую, посвященную физике плазмы – области, кардинально отличной от его предыдущего рода деятельности. И в 2008 году получил степень доктора по физике. А еще через год занялся изучением двигателей, что и привело к созданию лаборатории, которую Уайт возглавил.
«Он определенно фантазер, но при этом инженер. Он может превратить свое воображение в полезный технический продукт», – так характеризует Гарольда Уайта его босс, глава подразделения двигательных систем Джон Эпплуайт.
Впрочем, доктора Уайта нельзя назвать первопроходцем в этой области. В своих работах он опирался на теории, изложенной другим ученым – мексиканским физиком Мигелем Алькубьерре. Именно он, проанализировав некоторые уравнения и обнаружив в них лазейки, впервые рассчитал и изложил математическую модель превышения скорости света, которое не противоречило бы теории относительности Эйнштейна. Его доклад «Варп-двигатель: сверхбыстрые перемещения в рамках общей теории относительности» был опубликован еще в 1994 году. В нем ученый описал принцип особого искривления пространства и времени, позволяющий переместить объект с эффективной скоростью, превосходящей световую. Причем сделать это так, чтобы объект фактически не двигался быстрее света, а попадал из одной точки в другую как бы «коротким путем», как доска серфингиста не движется по водной глади, а скользит лишь по верхушкам волн. Таким образом, по мнению профессора, объект с варп-двигателем прибудет из пункта А в пункт Б быстрее, чем луч света, стартовавший одновременно с ним. Именно такое «скольжение» по точкам искривленного пространства Алькубьерре и назвал варп-прыжком.
Многие поклонники фантастики уверены: все, что придумали их любимые авторы, рано или поздно станет реальностью. И изыскания Мигеля Алькубьерре это подтверждают. По его собственным словам, профессор является поклонником сериала «Звездный путь», и на исследования его вдохновил именно он – мысль о том, как можно «обмануть» теорию относительности, появилась как раз в тот момент, когда он смотрел одну из серий.
Правда, тогда идея мексиканского физика не нашла развития: дальнейшие расчеты показали, что на такой «прыжок» потребуется колоссальное количество энергии, обеспечить которое одномоментно на современном этапе технического развития невозможно.
Вторая проблема варп-двигателя Алькубьерре оказалась еще более серьезной: по расчетам мексиканского физика выходило, что корабль, для которого будет возможным подобное перемещение, должен быть просто колоссальных размеров, а по массе вполне может сравниться с Юпитером. Разумеется, ни технологических возможностей для создания такой исполинской конструкции, ни ресурсов, которые можно было бы потратить на ее возведение, у человечества не было и в обозримом будущем появиться не могло. Поэтому вопрос о варп-двигателе был отложен физиком в долгий ящик.
Гарольд Уайт всерьез заинтересовался теорией Мигеля Алькубьерре уже в новом веке. Он произвел новые расчеты – и оказалось, что стоит чуть изменить первоначальную идею мексиканского ученого, и корабль потребуется далеко не настолько огромный – всего лишь примерно равный по массе «Вояджеру». А такой механизм уже вполне реально построить. Да и затраты энергии упадут на несколько порядков! Правда, экономичным этот способ передвижения даже при таких условиях не назовешь. Сам профессор Уайт предостерегает коллег-ученых и авторов научно-популярных статей от излишнего оптимизма: «Помните – ничто локально не превышает скорость света, но пространство может расширяться и сжиматься при любой скорости. Тем не менее, пространство и время сложно поддаются манипулированию, поэтому для искривления пространства и достижения межзвездных пространств в разумные периоды времени потребуется чрезвычайно много энергии».
Так или иначе, результаты расчетов показались авиационно-космическому инженеру достаточно перспективными для того, чтобы вплотную заняться воплощением идеи Алькубьерре на практике. По заявлению доктора Уайта, его исследовательская группа разработала особый прибор – лазерный интерферометр, способный обнаружить микроискривления пространства-времени и позволяющий зафиксировать их параметры. Если эксперименты окажутся удачными, можно будет говорить о том, что варп-двигатель – не просто теоретическая математическая модель, но технология, которую можно будет разработать, опробовать и использовать на практике.
Оригинальный прибор, созданный в лаборатории исследования продвинутых форм движения, носит имя самого Уайта и Ричарда Джуди, который также приложил руку к эксперименту. Кроме собственно интерферометра, установка включает в себя гелий-неоновый лазер и экспериментальное кольцо, моделирующее будущий варп-двигатель. Лазер испускает луч, нацеленный таким образом, что половина света проходит сквозь кольцо, а другая его минует. Сам же интерферометр фиксирует изменения, происходящие с пучками света и самим кольцом. По словам очевидцев, когда прибор работает, все это выглядит удивительно красиво и навевает воспоминания о кадрах из фантастических фильмов: лазер испускает красноватое свечение, а лучи пересекаются, как лазерные мечи из «Звездных войн».
О сути эксперимента сам Гарольд Уайт рассказал в интервью порталу Space.com: «Мы ожидаем изменения длины фотона в интерферометре, потому что это станет доказательством того, что мы создали эффект, которого добиваемся. Мы видели в нескольких разных экспериментах с разными техниками анализа изменения оптической длины пути. Но это не означает, что мы пришли к успеху».
О выводах, которые можно сделать из результатов экспериментов, ученый высказывается гораздо более уклончиво, опасаясь делать громкие заявления. Но в целом позитивно: по его словам, конденсаторы, установленные внутри экспериментального кольца, «набирают мощный энергетический потенциал». Правда, что это может означать в данном случае, понимают, пожалуй, только его коллеги в лаборатории.
Авторы фантастических произведений периодически поминают так называемый «временной парадокс» – их герои, уйдя «в прыжок», как бы замедляют свое субъективное время. А затем, вернувшись на Землю, обнаруживают, что за время их полета на родной планете прошли целые столетия. Однако в случае с двигателем профессора Алькубьерре космические путешественники застрахованы от такой опасности. Да, перелет займет меньше времени, чем передвижение пучка света, однако по прибытии их часы будут показывать такое же время, как и у оставшихся на Земле.
Но что же представляет собой варп-двигатель, теоретически расписанный Алькубьерре и Уайтом?
Мексиканский физик предложил следующую картину: космический корабль, напоминающий формой гигантское рисовое зерно, закреплен в центре конструкции из двух огромных колец-конденсаторов, которые, собственно, и являются двигателем, создающим искривление пространства. При этом кольца должны состоять из так называемой экзотической материи с отрицательной плотностью энергии.
Гарольд Уайт опирался в своей разработке на проект Алькубьерре, однако внес в него некоторые изменения. В результате его расчетов два кольца были заменены на тор – этакий объемный «бублик». По мнению ученого, именно такая форма позволит сделать варп-прыжок не таким энергоемким. «Представьте мяч для американского футбола, который имеет вокруг себя тороидальное кольцо с креплениями-пилонами. Мяч – это место, в котором будет находиться экипаж и оборудование корабля, а кольцо будет наполнено экзотической материей, о которой, к сожалению, на данный момент известно очень мало», – так описывает корабль с варп-двигателем сам Гарольд Уайт.
К слову, понятие «экзотическая материя» обозначает не один конкретный материал – в физике элементарных частиц так именуют самые разнообразные вещества: например, так называемый металлический водород.
Объединяет их только одно: все они теоретически способны нарушать какие-либо законы или аксиомы классической – то есть Ньютоновской – физики. Предположительно, некоторые из них обладают разнообразными экзотическими свойствами: например, под воздействием гравитации не притягиваются, а отталкиваются, или обладают отрицательной плотностью энергии.
Как правило, к веществам, подпадающим под определение «экзотическая материя», относятся материалы, созданные из экзотических атомов – таких, в которых ядром является не протон, а позитрон или мюон.
При этом само название – экзотическая материя – говорит о том, что подобных веществ в мире ничтожно мало. Объясняется это просто: хотя само их существование не противоречит законам физики, произвести их в условиях Земли невероятно трудно. На данный момент существование большей части таких веществ возможно чисто гипотетически.
Принцип варп-перемещения часто описывают следующим образом: пространство перед кораблем сжимается, а за ним – расширяется. И такое описание с точки зрения физики отнюдь не лишено смысла. Астрофизики, наблюдающие за галактиками, соседствующими с нашей, давно уже обратили внимание на огромную скорость их движения относительно друг друга. И пришли к удивительным выводам: они перемещаются именно в соответствии с этим принципом. При этом скорость расширения пространства между ними практически неограниченна – в некоторых случаях она действительно намного превышает световую!
Теории Уайта и Альбукьерре завоевали огромную популярность у энтузиастов космической тематики. Впрочем, их осуществление на данный момент сопряжено с определенными трудностями. Есть целый ряд проблем, с которыми уже столкнулись или столкнутся в будущем создатели варп-двигателя.
И главная из них – необходимость в огромном количестве экзотической материи, генерирующей отрицательную энергию. Лоуренс Форд, физик-теоретик из университета Тафтса, занимающийся изучением этой специфической субстанции уже более 30 лет и опубликовавший несколько десятков научных статей, высказывает серьезные сомнения в том, что проект Уайта в принципе осуществим. По его словам, препятствием к созданию варп-двигателя станет не поиск инженерного решения – специалисты из лаборатории исследования продвинутых форм движения рано или поздно его найдут, – а в фундаментальных физических ограничениях, которые не позволят сконцентрировать одномоментно и в одном месте такое количество отрицательной энергии. И обойти законы физики, по мнению ученого, попросту невозможно.
Не менее скептически настроены и многие другие теоретики. В частности, они сомневаются, что корабль, даже внутри пузыря Алькубьерре – или варп-пузыря из отрицательной энергии, сгенерированной двигателем Уайта – сможет двигаться быстрее скорости света. В теории Уайта они видят своеобразный парадокс. Отрицательная энергия должна будет окружать корабль целиком, находясь в том числе и перед ним. А это значит, что как раз она будет двигаться быстрее скорости света. В соответствии с теорией относительности, такое, разумеется, невозможно. Впрочем, сам Гаролдьд Уайт проблемой это не считает. Правда, при этом его комментарии довольно туманны: «варп-двигатель будет работать, поскольку все, что нужно, это аппарат, который создаст все необходимые условия». О том же, как именно он надеется обойти теорию относительности и разрешить парадокс, исследователь попросту умалчивает.
К армии скептиков принадлежит и еще один физик из университета Тафтса – Кен Олум. На конференции 100 Year Starship он высказался довольно однозначно: «Не думаю, что любое из привычных пониманий физики предполагает то, что он (Уайт) хочет увидеть в своих экспериментах».
Даже у самого прародителя идеи варп-двигателя, Мигеля Алькубьерре, есть сомнения, что затея Гарольда Уайта может оказаться успешным предприятием. «Даже если я сижу в корабле и у меня есть отрицательная энергия, нет никакой возможности доставить его куда мне нужно, – прокомментировал он. – Это отличная идея. Мне она нравится, потому что я сам ее написал. Но у нее есть ряд ограничений, с которыми я сталкивался на протяжении многих лет, и я не знаю, как их обойти».
Среди физиков, занимающихся изучением экзотической материи, есть не только скептики. Многие из них утверждают, что экзотическая материя, необходимая для создания варп-двигателя, не просто теоретически может существовать – они уверены, что ее можно получить на практике. Один из них, Кип Стивен Торн, в сотрудничестве с Майком Моррисом и Ульви Юртсевером провел исследование, доказавшее, что при определенных условиях вполне возможно создать область пространства-времени с отрицательной массой и отрицательной плотностью энергии. Правда, эти эксперименты, как и работы некоторых других ученых, занимающихся той же темой, скорее отсылают нас к другой теории сверхсветовых космических перелетов – принципу «кротовых нор» или «червоточин». Согласно ей, в момент зарождения Вселенной образовались некие стационарные области искривленного пространства-времени, представляющие собой своеобразные «тоннели», по которым объект может перемещаться гораздо быстрее, чем в обычном пространстве – в том числе, превышая скорость света. Правда, пока существование «кротовых нор» предсказано только теоретически.
Впрочем, помимо скептиков от науки, работа лаборатории Гарольда Уайта привлекает внимание критиков совершенно другого толка. Кто-то удивляется несвоевременности его экспериментов – мол, люди не побывали еще и на Марсе, так зачем пытаться достичь звезд. Кто-то сетует на огромные средства, затраченные на исследования, и еще большие, которые только собираются в них вложить. Кто-то упрекает ученых огулом – мол, на Земле достаточно проблем, решение которых гораздо важнее, чем создание какого-то гипотетического космического корабля или даже познание тайн Вселенной. Подобные возражения в целом складываются в один вопрос: нужен ли человечеству варп-двигатель?
Однако, как ни парадоксально, эта технология, по оценкам экспертов, могла бы помочь разрешить некоторые проблемы. В частности, существенно облегчить исследование Марса и других планет Солнечной системы. Согласно прогнозам самого Уайта, космический корабль, оснащенный варп-двигателем, смог бы сократить время путешествия людей к Красной планете в несколько раз. А это означает, что колонисты получат гораздо меньшую дозу солнечной радиации, их организмы не так сильно пострадают от воздействия невесомости. Да и психологический фактор сбрасывать со счетов нельзя: провести в тесном пространстве космического корабля несколько недель – это совсем не то же самое, что находиться в таких условиях месяцами.
Да и вообще, человечество все чаще ищет решение своих проблем и ответы на свои вопросы за пределами Земли. Одних проектов по освоению Луны и добыче на ней гелия-3 существует уже множество. Впрочем, для этого варп-двигатель не нужен. А вот, скажем, исследование пояса астероидов он мог бы сильно упростить. Между тем, по прогнозам астрофизиков, в нем находится масса редкоземельных элементов, которые требуются для самых современных технологий. При этом существующие космические аппараты добираются туда годами! Так, автоматическая межпланетная станция Dawn («Рассвет»), запущенная NASA для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера в 2007 году, достигла цели только в 2011-м! А варп-технология могла бы сократить этот срок на порядок!
Да и за пределами Солнечной системы человеку нашлось бы дело. Ведь за последнее время астрономы NASA открыли целых 715 планет, потенциально пригодных для жизни. Но долететь до них с помощью технологий, доступных на сегодняшний день, невозможно. А вот двигатель, искривляющий пространство, сделает это вполне достижимым.
Правда, если такое и случится, то очень нескоро. Даже сам Гарольд Уайт не надеется, что космический корабль, разработкой которого он занимается, будет построен при его жизни. Однако эксперты NASA, анализируя преимущества, которые может дать варп-технология в будущем, выступают за то, чтобы исследования продолжались. Тем более что, по словам Джона Эпплуайта, в большом финансировании лаборатория Уайта не нуждается. О перспективах же он высказывается очень однозначно: «Думаю, начальство очень заинтересовано в том, чтобы Уайт продолжал работать. Пока это просто теория, но если она воплотится в реальность, правила игры кардинально изменятся».
